디지털 위상 변조 : BPSK, QPSK, DQPSK

무선 주파수 변조
디지털 위상 변조는 다목적이며 널리 사용되는 디지털 데이터 무선 전송 방법입니다.

이전 페이지에서, 우리는 XNUMX과 XNUMX을 나타내는 방법으로 반송파의 진폭이나 주파수의 불연속 변화를 사용할 수 있음을 보았습니다. 위상을 사용하여 디지털 데이터를 표현할 수 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 이 기술을 위상 편이 방식 (PSK)이라고합니다.

이진 위상 편이 방식
가장 간단한 PSK 유형을 BSKK (Binary Phase Shift Keying)라고하며, 여기서 "binary"는 두 개의 위상 오프셋 (논리 하이, 논리 로우)을 사용합니다.

이 두 위상 사이에 더 큰 분리가있을 경우 시스템이 더욱 견고하다는 것을 직관적으로 인식 할 수 있습니다. 물론 수신기는 위상 오프셋이 90 ° 인 심볼과 위상 오프셋이있는 심볼을 구별하기가 어렵습니다. 91 °. 

작업 할 위상은 360 ° 뿐이므로 로직 하이와 로직 로우의 최대 차이는 180 도입니다. 그러나 정현파를 180 ° 옮기는 것은 반전시키는 것과 같습니다. 따라서 BPSK는 하나의 논리 상태에 대한 응답으로 반송파를 단순히 반전시키고 다른 논리 상태에 대한 응답으로 단독으로 남겨 두는 것으로 생각할 수 있습니다.

이것을 한 단계 더 발전시키기 위해, 정현파에 음의 값을 곱하는 것은 그것을 뒤집는 것과 동일하다는 것을 알고 있습니다. 다음과 같은 기본 하드웨어 구성을 사용하여 BPSK를 구현할 수 있습니다.

그러나이 방식은 캐리어 파형에서 높은 슬로프 전이를 쉽게 초래할 수 있습니다. 캐리어가 최대 값일 때 로직 상태 간 전환이 발생하면 캐리어 전압이 최소 전압으로 빠르게 이동해야합니다.




이와 같은 높은 슬로프 이벤트는 다른 RF 신호를 방해 할 수있는 고주파 에너지를 생성하기 때문에 바람직하지 않습니다. 또한 증폭기는 출력 전압에서 높은 슬로프 변화를 생성하는 능력이 제한적입니다.

두 가지 추가 기능을 사용하여 위 구현을 구체화하면 심볼 간 원활한 전환을 보장 할 수 있습니다. 먼저, 디지털 비트주기가 하나 이상의 완전한 반송파주기와 같아야합니다. 

둘째, 디지털 전이를 반송파와 동기화해야합니다. 이러한 개선으로 반송파 신호가 제로 크로싱에있을 때 180 ° 위상 변화가 발생하도록 시스템을 설계 할 수 있습니다.

 

QPSK
BPSK는 심볼 당 0 비트를 전송하는데, 이는 우리가 지금까지 익숙한 것입니다. 디지털 변조와 관련하여 우리가 논의한 모든 것은 반송파 신호가 디지털 전압이 로직 로우인지 로직 하이인지에 따라 수정되는 것으로 가정했으며, 수신기는 각 심볼을 1 또는 XNUMX로 해석하여 디지털 데이터를 구성합니다.

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)에 대해 논의하기 전에 다음과 같은 중요한 개념을 소개해야합니다. 하나의 심볼이 하나의 비트 만 전송할 수있는 이유는 없습니다. 디지털 전자 장치의 세계는 전압이 항상 하나의 디지털 비트를 나타내도록 전압이 극단적이거나 다른 회로를 중심으로 구축되는 것이 사실입니다. 

그러나 RF는 디지털이 아닙니다. 대신, 아날로그 데이터를 전송하기 위해 아날로그 파형을 사용하고 있으며, 하나의 심볼이 XNUMX 개 이상의 비트를 나타내는 방식으로 아날로그 파형이 인코딩되고 해석되는 시스템을 설계하는 것은 완벽하게 허용됩니다.

QPSK는 하나의 심볼이 00 비트의 데이터를 전송할 수있는 변조 방식입니다. 네 가지 가능한 01 비트 숫자 (10, 11, 90, XNUMX)가 있으며 결과적으로 XNUMX 개의 위상 오프셋이 필요합니다. 다시, 우리는 위상 옵션 (이 경우 XNUMX °) 사이의 최대 분리를 원합니다.

장점은 더 높은 데이터 속도입니다. 동일한 심볼 기간을 유지하면 데이터가 송신기에서 수신기로 이동하는 속도의 두 배가 될 수 있습니다. 단점은 시스템 복잡성입니다. (QPSK는 가능한 위상 값 사이의 분리가 적기 때문에 BPSK보다 비트 오류에 훨씬 더 민감하다고 생각할 수 있습니다. 이것은 합리적인 가정이지만, 수학을 거치면 오류 확률이 실제로 굉장히 유사한.)

변종
QPSK는 전반적으로 효과적인 변조 방식입니다. 그러나 개선 될 수 있습니다.

위상 점프
표준 QPSK는 높은 슬로프 심볼에서 심볼로의 전환이 발생하도록 보장합니다. 위상 점프는 ± 90 ° 일 수 있기 때문에 BPSK 변조에 의해 생성 된 180 ° 위상 점프에 대해 설명 된 방법을 사용할 수 없습니다.

이 문제는 두 가지 QPSK 변형 중 하나를 사용하여 완화 할 수 있습니다. 변조 프로세스에 사용되는 두 개의 디지털 데이터 스트림 중 하나에 지연을 추가하는 오프셋 QPSK는 최대 위상 점프를 90 °로 줄입니다. 또 다른 옵션은 π / 4-QPSK이며 최대 위상 점프를 135 °로 줄입니다. 따라서 오프셋 QPSK는 위상 불연속을 줄이는 데 우수하지만 π / 4-QPSK는 차등 인코딩 (다음 하위 섹션에서 설명)과 호환되므로 유리합니다.

심볼 간 불연속을 처리하는 또 다른 방법은 심볼 사이에 부드러운 전환을 생성하는 추가 신호 처리를 구현하는 것입니다. 이 방법은 MSK (Minimum Shift Keying)라고하는 변조 방식에 통합되어 있으며 Gaussian MSK로 알려진 MSK도 개선되었습니다.

차동 인코딩
또 다른 어려움은 PSK 파형을 사용한 복조가 FSK 파형을 사용하는 것보다 어렵다는 것입니다. 

주파수 변화는 시간에 대한 신호 변화를 분석하여 항상 주파수 변화를 해석 할 수 있다는 의미에서 "절대"입니다. 그러나 위상은 보편적 인 기준이 없다는 점에서 상대적입니다. 송신기는 특정 시점을 기준으로 위상 변동을 생성하며 수신기는 별도의 시점을 기준으로 위상 변동을 해석 할 수 있습니다.

이것의 실제적인 표현은 다음과 같습니다 : 변조와 복조에 사용되는 발진기의 위상 (또는 주파수) 사이에 차이가 있으면 PSK를 신뢰할 수 없게됩니다. 그리고 수신기가 반송파 복구 회로를 통합하지 않는 한 위상 차이가있을 것이라고 가정해야합니다.

차동 QPSK (DQPSK)는 비코 히어 런트 수신기 (즉, 복조 발진기와 변조 발진기를 동기화하지 않는 수신기)와 호환되는 변형입니다. 

차동 QPSK는 이전 심볼에 상대적인 특정 위상 편이를 생성하여 데이터를 인코딩합니다. 이러한 방식으로 선행 심볼의 위상을 사용함으로써, 복조 회로는 수신기 및 송신기에 공통 인 기준을 사용하여 심볼의 위상을 분석한다.

요약
* 바이너리 위상 편이 방식은 심볼 당 XNUMX 비트를 전송할 수있는 간단한 변조 방식입니다.

* Quaddrature Phase Shift Keying은 더 복잡하지만 데이터 전송률이 두 배가됩니다 (또는 절반의 대역폭으로 동일한 데이터 전송률을 달성 함).

* 오프셋 QPSK, π / 4-QPSK 및 최소 시프트 키잉은 높은 슬로프 심볼 간 전압 변경의 영향을 완화하는 변조 방식입니다.

* 차등 QPSK는 송신기와 수신기 간의 위상 동기화 부족과 관련된 문제를 피하기 위해 인접한 심볼 간의 위상차를 사용합니다.

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